城市綠地土壤動物群落結(jié)構(gòu)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系1)

王意錕 呂耀平 丁楓華 陳禎 雷凌華 鄧先俊 劉瑞瑜 朱強(qiáng)根

(麗水學(xué)院，浙江省·麗水市，323000)

城市綠地是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，而不同土地利用方式及綠地類型下，綠地土壤環(huán)境和生態(tài)功能均存在差異。土壤動物在綠地土壤中，通過取食、筑穴等一系列活動，分解生物殘?bào)w、改變土壤理化性質(zhì)，對生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動產(chǎn)生一定影響。此外，土壤動物類群多樣，壽命短，對土地環(huán)境的變化敏感，常將其群落特征作為生物學(xué)指標(biāo)評價(jià)土壤質(zhì)量，是城市生態(tài)健康的重要表征[1-2]。目前，關(guān)于土壤動物的研究多集中于森林生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[3-6]，而城市生態(tài)系統(tǒng)土壤動物研究多集中于綠地土壤動物類群、密度和分布情況的調(diào)查[7-9]，對土壤動物與綠地土壤環(huán)境因子間關(guān)系的研究相對較少[10]。

本研究于2015年6月，在浙江省麗水市分別選取城市森林綠地、城市公園綠地、交通道路綠地、草坪綠地、撂荒地等5種土地利用方式不同的綠地類型，每種類型綠地設(shè)置3塊樣地，每塊樣地沿對角線用土鉆法采集土樣18份；測定土壤密度、pH、全氮、有效磷、速效鉀等土壤理化性質(zhì)；采用手檢法對大型土壤動物分離、采用干漏斗法對中小型土壤動物分離，測定土壤動物的Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Jaccard群落相似性指數(shù)；采用冗余分析法分析土壤理化性質(zhì)與土壤動物群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。旨在通過土壤動物多樣性指標(biāo)反映和預(yù)測城市綠地土壤的肥力、結(jié)構(gòu)等土壤質(zhì)量情況，為保護(hù)城市生態(tài)健康、合理規(guī)劃及實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)性發(fā)展提供參考。

1 研究地概況

麗水市地處浙江省西南部山區(qū)，東經(jīng)118°41′～120°26′，北緯27°25′～28°57′，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，溫暖濕潤，雨量充沛，無霜期長。年平均氣溫17.9 ℃，平均年日照時(shí)間1 635.1 h，年平均降水量1 598.9 mm。

本研究分別選取城市森林綠地、城市公園綠地、交通道路綠地、草坪綠地、撂荒地等5種土地利用方式不同的綠地類型。城市森林綠地，選自萬象山公園林地，植被類型為楓香(Liquidambarformosana)、樸樹(Celtissinensis)、香樟(Cinnamomumcamphora)、雪松(Cedrusdeodara)等喬木，人為活動較少；城市公園綠地，選自濱江公園，植被類型中喬木為香樟、雪松、黃山欒樹(Koelreuteriabipinnatacv.integrifoliola)、女貞(LigustrumLinn)等，灌木為杜鵑(Rhododendronsimsii)、海桐(Pittosporumtobira)、八角金盤(Fatsiajaponica)、茶梅(Camelliasasanqua)等，地被植物為結(jié)縷草(Zoysiajaponica)、白三葉(Trifoliumrepens)、麥冬(Ophiopogonjaponicus)、蔥蘭(Zephyranthescandida)等，存在游憩等行為干擾；交通道路綠地，選自城市干道水泥硬化后形成的綠地，植被類型中喬木有香樟、黃山欒樹、銀杏(Ginkgobiloba)等，灌木有杜鵑、海桐等，地被植物包括麥冬、蔥蘭等，存在養(yǎng)護(hù)管理等人為活動；草坪綠地，選自校園和生活小區(qū)，為結(jié)縷草草坪，建植時(shí)間5 a以上，人為活動較多，且表土存在石塊、磚塊、建筑瓦礫等侵入體；撂荒地，植被以小飛蓬(Erigeroncanadensis)、天胡荽(Hydrocotylesibthorpioides)、馬唐(Digitariasanguinalis)、葉下珠(Phyllanthusurinaria)、車前(Plantagoasiatica)等雜草為主，人為活動較少。

2 材料與方法

于2015年6月，每種類型綠地設(shè)置3塊樣地，每塊樣地沿對角線用土鉆法采集土樣18份，用于土壤動物的鑒定。大型土壤動物分離采用手檢法；中小型土壤動物分離采用干漏斗法(Tullgern)，土樣在25 W白熾燈下烘烤24 h，漏斗底部用裝有體積分?jǐn)?shù)為75%的酒精溶液的培養(yǎng)皿收集土壤動物，并將土壤動物保存在體積分?jǐn)?shù)為75%的酒精溶液中。參照《中國土壤動物檢索圖鑒》、《中國亞熱帶土壤動物》[11-12]，分離、鑒定土壤動物。參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[13]，測定土壤密度、pH、全氮、有效磷、速效鉀等土壤理化性質(zhì)。

Margalef豐富度指數(shù)(D)：D=(S-1)/lnN；S為樣本中類群數(shù)，N為總個(gè)體數(shù)。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)：H′=∑i(PilnPi)；Pi為第i物種占樣本中個(gè)體總數(shù)比例，i=1、2、…、S，S為樣本中類群數(shù)。

Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)：Ds=∑i(Pi)2；Pi為第i物種占樣本中個(gè)體總數(shù)比例，i=1、2、…、S，S為樣本中類群數(shù)。

Pielou均勻度指數(shù)(E)：E=H′/lnS，用來表示群落中全部物種個(gè)體數(shù)目的分配情況。

Jaccard群落相似性指數(shù)(q)：q=c/(a+b-c)；a為群落A的類群數(shù)、b為群落B的類群數(shù)、c為2個(gè)群落所共有的類群數(shù)。

采用Microsoft Excel2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、SPSS16.0軟件完成土壤動物多樣性的方差分析與多重對比、Canoco4.5完成土壤理化性質(zhì)與土壤動物間關(guān)系的冗余分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同類型城市綠地土壤動物多樣性的差異

本研究共采集土壤動物26個(gè)類群，隸屬2門6綱18目3亞目。按照食性差異，將土壤動物分為3個(gè)同功能種團(tuán)[14]：腐食性動物——嚙目、蜱螨目甲螨亞目、雙翅目幼蟲、彈尾目等節(jié)跳科、長角跳科等；植食性動物——綜合綱、直翅目、鱗翅目、鞘翅目的幼蟲等；捕食性動物——唇足綱、蛛形綱、雙尾目、偽蝎目、鞘翅目隱翅甲科等。某些土壤動物兼?zhèn)鋷追N食性，但目前尚無法對各類群中每種動物的生態(tài)習(xí)性進(jìn)行很細(xì)分類，原則上按照這些類群的總體特征進(jìn)行動物劃分。盡管如此，這種劃分方法為土壤動物在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動中的生態(tài)功能研究提供了極大的方便[15-16]。

表1為不同類型城市綠地土壤動物各功能種團(tuán)的平均密度和類群數(shù)。由表1可見：腐食性動物的數(shù)量，在5種類型的城市綠地土壤動物中均占很大比例(92.3%～97.9%)。腐食性動物可取食土壤殘落物，有利于殘落物分解和養(yǎng)分的釋放，還可促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成。即使一些體內(nèi)缺乏纖維素分解酶的動物，也可通過裂解殘落物和取食被真菌入侵的半分解殘落物對土壤的物質(zhì)循環(huán)作出貢獻(xiàn)[17]。因此，腐食性動物常用來衡量生態(tài)系統(tǒng)功能和土壤肥力。植食性動物大多會危害植物的根莖，而捕食性動物是土壤動物中的消費(fèi)者，這兩類動物的數(shù)量在城市綠地的土壤中較少，分別占動物總數(shù)的1.5%～4.8%、0.5%～3.1%。

表1 不同土地利用方式的城市綠地土壤動物功能種團(tuán)

土壤動物群落結(jié)構(gòu)受外界環(huán)境的影響較大，人類活動、地表植被、氣候及土壤環(huán)境均會改變土壤動物的數(shù)量和類群。5種類型的綠地中，城市森林綠地的土壤動物平均密度較高，撂荒地、公園綠地、道路綠地次之，草坪綠地的土壤動物相對較少。這與城市森林綠地人工管理水平和植被類型有關(guān)。已有研究表明[18]，人為干擾程度較輕，土壤環(huán)境條件良好，有利于土壤動物的生存。而王金鳳等[19]通過除趨勢對應(yīng)分析法(DCA排序)發(fā)現(xiàn)，植被高度、人為干擾程度均會影響土壤動物群落結(jié)構(gòu)。公園綠地一定程度上受到游客的干擾；而交通道路綠地多由不連續(xù)的孤島組成，土壤動物被封閉在孤島內(nèi)土壤中遷移機(jī)會少，此外，客土質(zhì)量、塵埃覆蓋等因素也會影響其數(shù)量；草坪綠地植被類型單一，且為保證其使用功能，需定期修剪與養(yǎng)護(hù)，使用選擇性除草劑殺滅闊葉雜草，因此，土壤動物的數(shù)量最少。葛寶明等[20]對浙江金華市城市綠地調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，有草本的人工林綠地、荒草地，其動物數(shù)量均高于草坪綠地。5種綠地的土壤動物類群數(shù)，未見顯著差異，說明不同的土地利用方式下環(huán)境對土壤動物類群數(shù)的影響較小。

土壤動物多樣性可以反映其群落組成的復(fù)雜程度。由表2可見：土壤動物的多樣性指數(shù)，以城市森林綠地最高，撂荒地、公園綠地次之，道路綠地、草坪綠地較低。城市森林綠地的豐富度指數(shù)達(dá)2.45，顯著高于其他4種綠地，但其余綠地間的豐富度指數(shù)差異不顯著。說明林地土壤動物群落有更長的食物鏈和更多的共生現(xiàn)象，群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更好。5種綠地中，草坪綠地的均勻度指數(shù)較高，而優(yōu)勢度指數(shù)最低，說明土壤動物類群分布均勻，這是因?yàn)椴萜壕G地在剪草機(jī)、除草劑等諸多人為因素的影響下，土壤動物稀有種類較少，優(yōu)勢類群和常見類群占優(yōu)勢的緣故。林英華等[21]也認(rèn)為，土壤動物在條件嚴(yán)酷的環(huán)境中通常種間差異較小，均勻度較高，優(yōu)勢現(xiàn)象不明顯。

表2 不同土地利用方式的城市綠地土壤動物多樣性

Jaccard相似指數(shù)可反映綠地之間土壤動物類群上的相似程度，當(dāng)相似指數(shù)(q)為0

表3 不同土地利用方式的城市綠地土壤動物相似性

3.2 不同類型城市綠地土壤理化性質(zhì)的差異

城市土壤與城市綠地植物的生長密切相關(guān)，而不同城市土地利用方式、不同地形等諸多因素均會影響土壤的理化性質(zhì)[22-23]。由表4可見：道路綠地、草坪綠地的pH較高，公園綠地、城市森林綠地次之，撂荒地相對較低。這是因?yàn)榻煌ǖ缆肪G地多為水泥硬化以后所形成的孤島，而草坪綠地的表土中存在各種侵入體，如石塊、磚塊、建筑瓦礫和其他建筑材料等；已有研究表明[24]，城市建筑廢料堿性物質(zhì)(如碳酸鈣或鈣鎂碳酸鹽、石板、水泥、混凝土、砂漿等)可以與土壤發(fā)生堿性反應(yīng)，提高土壤的pH。草坪綠地、公園綠地，修剪、游憩等人為活動頻繁，土壤密度相對較高。由于撂荒前的活動與利用，撂荒地土壤密度也高達(dá)1.34 g·cm-3。且草坪綠地、公園綠地、道路綠地，為保持美觀和使用功能，常會去除凋落物和草屑，減少養(yǎng)分輸入，土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。人為干擾較少的城市森林綠地的土壤，全氮、有效磷、速效鉀均顯著高于其他綠地，而土壤密度較低。已有研究[25]認(rèn)為，人為過度干擾踩踏，不利于保護(hù)和提高城市土壤的綜合肥力。董潔等[26]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)踐踏程度的不斷加重，土壤密度也會隨著不斷變大。人為活動較少的撂荒地速效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)為128.65 mg·kg-1，而干擾頻繁的公園綠地速效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為95.08 mg·kg-1，草坪綠地、道路綠地的凋落物盡管也會被清理，但速效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)比公園綠地分別高54.76%、26.54%，這與草坪綠地和道路綠地土壤中的水泥、建筑材料等堿性物質(zhì)有關(guān)。李志國等[23]發(fā)現(xiàn)，城市建筑和道路建設(shè)所用的石灰材料，增加了土壤鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而鈣離子可以從土壤膠體上將交換性鉀離子替換下來，從而增加土壤鉀的有效性。

表4 不同土地利用方式的城市綠地土壤基本理化性質(zhì)

3.3 土壤環(huán)境因子對土壤動物分布的影響

土壤動物與生境的關(guān)系密切，其在土壤質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)中生物指示作用日益凸顯[27]。本研究以5種綠地中的土壤動物個(gè)體數(shù)為評價(jià)指標(biāo)，土壤環(huán)境因子為影響因素，通過冗余分析(RDA)對不同類型城市綠地的土壤動物密度進(jìn)行排序(直接梯度分析)，探討不同土地利用方式下城市綠地土壤動物密度和土壤理化性質(zhì)的關(guān)系。由圖1可見：第一軸和第二軸的貢獻(xiàn)率分別為52.5%、13.4%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為65.9%，其中第一軸反映的是土壤養(yǎng)分指標(biāo)對土壤動物密度的影響，第二軸反映的是土壤密度、土壤pH對土壤動物密度的影響。

城市森林綠地土壤動物密度特征在第一、第二軸的正軸方向，唇足綱、倍足綱、綜合綱、蜱螨目的甲螨亞目、中氣門亞目、前氣門亞目，彈尾目的等節(jié)跳科、長角跳科、球角跳科、疣跳科以及嚙目、蜘蛛目、直翅目、纓翅目、膜翅目、雙尾目等土壤動物，在城市森林綠地均有較好的分布。且這些土壤動物，與土壤速效鉀、有效磷、全氮等養(yǎng)分指標(biāo)均存在正相關(guān)，與土壤密度、pH存在負(fù)相關(guān)(圖中相應(yīng)指標(biāo)箭頭指向的方向相近時(shí)，則有較大正相關(guān)性，方向相反則為負(fù)相關(guān))。說明土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高、密度較低，更有利于土壤動物類群數(shù)及個(gè)體數(shù)量的增加。公園綠地、撂荒地，在第一軸負(fù)軸、第二軸正軸方向，寡毛綱、鞘翅目、同翅目、雙翅目幼蟲、彈尾目棘跳科有較好的分布，此類動物和養(yǎng)分指標(biāo)的相關(guān)性較弱，但均與土壤密度、pH呈負(fù)相關(guān)。草坪綠地、道路綠地，偏移至第一、第二軸的負(fù)軸方向，土壤密度、pH較高，土壤動物分布也相對較少。

靳士科等[10]認(rèn)為，土壤全氮、土壤密度是影響城市森林綠地中小型土壤動物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子。韓慧瑩等[28]認(rèn)為，全效養(yǎng)分(全氮、全磷、全鉀)、速效養(yǎng)分(速效氮、速效磷、速效鉀)對大型和中小型土壤動物的影響均很高。也有研究表明[29]，微酸和中性條件下的土壤，更適宜土壤動物生存。在耐受范圍內(nèi)，土壤動物對pH具有正向適應(yīng)，隨著pH的增加而呈上升趨勢[28]。王意錕等[30]研究表明，毛竹林中，隨著土壤密度提高，pH下降，土壤動物也會減少。本研究區(qū)域綠地土壤pH在6.25～7.62，在土壤動物適宜生存范圍內(nèi)；但與已有研究結(jié)論不同的是，土壤動物多與pH呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系(見圖1)。

P▲為公園綠地、W▲為撂荒地、F▲為城市森林綠地、R▲為道路綠地、L▲為草坪綠地。

這是因?yàn)?，盡管草坪綠地、道路綠地的pH較高，但其土壤密度也相對較高，土壤動物相對較少。說明與土壤pH相比，土壤密度等其他因素對土壤動物的影響更大。彈尾目、蜱螨目是土壤動物中主要優(yōu)勢類群[31-33]，環(huán)境干擾直接影響二者數(shù)量及比例關(guān)系。秦鐘等[34]認(rèn)為，蜱螨目土壤動物往往在人為干擾最小、土壤環(huán)境適宜的樣地?cái)?shù)量較多。本研究結(jié)果也有同樣趨勢，和其他綠地相比，蜱螨目在人為干擾最少的城市森林綠地中有著更高的分布，且這種現(xiàn)象在甲螨亞目中最為顯著。

4 結(jié)論

5種類型城市綠地土壤動物中，腐食性動物數(shù)量均占很大比例(92.3%～97.9%)，植食性動物、捕食性動物在城市綠地的土壤中較少，分別占動物總數(shù)的1.5%～4.8%、0.5%～3.1%。城市森林綠地的土壤動物平均密度較高，撂荒地、公園綠地、道路綠地次之，草坪綠地的土壤動物相對較少。

城市森林綠地的土壤動物豐富度指數(shù)顯著高于其他4種綠地，而草坪綠地與其他綠地的類群相似性較差，僅為0.39～0.45，屬中等不相似。

城市森林綠地的土壤全氮、有效磷、速效鉀均顯著高于其他綠地，且土壤密度較低。而草坪綠地、道路綠地的pH較高，草坪綠地、公園綠地、撂荒地土壤密度較高。

唇足綱、倍足綱、綜合綱、蜱螨目的甲螨亞目、中氣門亞目、前氣門亞目，彈尾目的等節(jié)跳科、長角跳科、球角跳科、疣跳科以及嚙目、蜘蛛目、直翅目、纓翅目、膜翅目、雙尾目等土壤動物，在土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高、土壤密度較低的樣地均有較好的分布。